時間頻率計量簡史

 行業新聞     |      2019-03-28

轉載自百家號作者:眼睛看科技
    從插在地上的棍子到銫原子鐘,人類數千年來一直在用它們以不斷提高的準確度來記錄時間。海倫·馬戈利斯(Helen Margolis)將為您介紹我們是如何達到秒的目前定義,以及時鐘技術的未來發展方向。

2018 年11 月1 日,是我在特丁頓英國國家物理實驗室(NPL)工作整整20 年零6 天的日子。我知道這一點的原因很簡單——我是1998 年10 月26 日加入NPL的,借助時鐘和日歷,我可以測量這段過去的時間。但是在時鐘出現之前人們怎么辦?他們是如何測量時間的呢?

數千年來,人們發明了無數的計時裝置,但它們有一個共同點,那就是都依賴于有規則振蕩周期的自然現象。計時就是簡單地計數這些振蕩來標記時間的流逝。

在歷史的大部分時間里,人們選擇的周期現象是太陽和恒星在天空中的視運動,這是由地球繞著自己的軸旋轉引起的。已知最早的計時方法之一——可以追溯到幾千年前——把一根棍子豎在地上,并隨著時間的推移跟蹤它移動的影子。這種方法發展成為日晷,即日影鐘,它用沿著日影路徑的刻度將一天劃分為若干時段。

然而,除非陽光燦爛,日晷是無用的。于是人們陸續發明了像水鐘、蠟燭鐘和沙漏這樣的機械計時裝置。17 世紀發明了擺鐘,它比以前的任何計時裝置都要精確得多。其振蕩周期(在最低階近似下)由重力加速度和擺長決定。由于這個周期比地球每天自轉的時間短得多,所以時間可以細分成更小的間隔,這樣就可以測量秒,甚至是一秒的幾分之一。

盡管如此,地球的自轉仍然是“主鐘”,其他時鐘需根據這個主鐘定期校準和調整。

1 從晶體到原子

隨著技術的進步,對高分辨率計時的需求也在增加。擺鐘逐漸被石英鐘取代,第一個石英鐘是1927 年由沃倫·瑪麗森(Warren Marrison)和約瑟夫·霍頓(Joseph Horton)在美國貝爾電話實驗室研制的。在這些裝置中,電流使石英晶體以遠高于擺鐘振蕩頻率的某個特定頻率共振。

與老式計時裝置相比,這種時鐘的頻率對環境擾動的敏感度較低,因此更為準確。即便如此,石英鐘依賴于機械振動,其頻率取決于晶體的大小、形狀和晶體溫度。沒有兩塊晶體是完全相同的,所以它們必須用另一個參考進行校準——這就是地球的自轉周期,秒被定義為平太陽日的1/86400。

然而,秒的這種定義存在一些問題。隨著我們測量這一時間單位的能力提高,越來越清楚的事實是,地球的自轉周期并非恒定。這個周期不僅由于潮汐摩擦作用逐漸變慢,而且隨著季節的變化而變化,更糟的是,它還以不可預測的方式波動。

1955 年,路易斯·埃森(Louis Essen)和杰克·帕里(Jack Parry)在NPL研制出第一個實用的銫原子頻標,從而啟動了計時領域的革命(圖1)。

圖1 埃森和帕里與他們研制的銫原子鐘

時間的標準化

太陽時并非處處相同。以英國為例,伯明翰落后倫敦8 分鐘,利物浦落后12 分鐘。當主要人口中心之間的通訊和旅行時間較慢時這并不重要。但隨著19 世紀鐵路的建設,情況發生了巨大的變化。由于每個車站的地方時間不同造成了混亂,而且隨著路網的擴大,事故和未遂事故越來越多。一個標準時間就成為必要了。

1840 年由英國西部大鐵路帶頭,“鐵路時間”在隨后的幾年中逐漸被其他鐵路公司所采用。列車時刻表標準化到格林尼治時間(GMT),到1855 年,時間信號用電報從格林尼治傳遍英國鐵路網。然而,直到1880 年,GMT作為全英統一標準時間的作用才在立法中確立。四年后,在美國華盛頓舉行的國際子午線會議上,格林尼治時間被采納作為全球時區的參考標準,而秒被正式定義為平太陽日的1/86400。

原子鐘是如何工作的

在銫原子鐘里,微波源的頻率一直被仔細調整到與銫原子基態兩個超精細能級之間的能量差相對應的諧振頻率(9192631770 Hz)上。原子吸收微波輻射,從吸收信號產生的反饋信號被用來保持微波源調諧到這個高準確度的特定頻率。時間顯示是通過對微波源的振蕩進行電子學計數而產生的。

路易斯·埃森在NPL研制的最初的時鐘使用一束熱的銫原子,其準確度約為1×10-10。如今,銫基準鐘使用一種被稱為“原子噴泉”的架構,在這種架構中,激光冷卻的原子通過微波腔向上發射,然后在重力作用下回落。使用冷原子意味著相互作用的時間可能比熱束鐘長得多,從而提供更高的譜分辨率。經過仔細評估環境擾動引起的系統頻移,如今最好的銫噴泉鐘的準確度達到了1×10-16,不過測量結果必須經過幾天的平均時間才能達到這個水平。它們作為基準鐘為國際原子時(TAI)做貢獻。

他們的設備并不是真正意義上的時鐘,因為它并不連續運行,只是用來每隔幾天校準一臺外部石英鐘的頻率。盡管如此,通過研究共振頻率如何依賴于環境條件,埃森和帕里令人信服地證明,與任何基于天體運動的標準相比,隔離良好的銫原子的分立能級之間的躍遷可以提供穩定得多的時間間隔參考。埃森后來寫道:“我們邀請了(NPL)主任來見證天文秒的死亡和原子時的誕生。”

但證明新標準的穩定度并不足以重新定義秒。新定義必須在測量不確定度的范圍內與舊定義保持一致。埃森和帕里因此著手相對于皇家格林尼治天文臺發布的天文時標來測量他們的銫標準的頻率。

與此同時,天文學家轉而使用基于地球繞太陽公轉周期的歷書時。他們的論據是,地球繞日公轉比其自轉更穩定,但可惜對于大多數實際測量目的來說,公轉周期長得太不切實際了。然而,國際計量委員會跟隨他們的引導,在1956 年選擇歷書秒作為國際單位制中的時間基本單位。正如埃森所說:“就連科學機構也會做出荒謬的決定。”

但不管荒謬與否,仍需要將銫的頻率與歷書秒聯系起來。他與美國海軍天文臺的威廉·馬科維茨(William Markowitz)合作完成了這項工作。最后,在1967 年的國際計量大會上決定,將秒重新定義為“銫133 原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9192631770個周期”。

2 新一代技術

結構更緊湊、成本更低(盡管準確度低些)的銫原子鐘被開發出來,應用也得到了蓬勃發展。也許我們并不總是意識得到,日常生活的許多重要方面其實都離不開精確的計時。移動電話、金融交易、互聯網、電力和全球衛星導航系統都依賴于時間和頻率標準。

不過,盡管銫原子的躍遷已被證明是秒定義的持久基礎,銫原子鐘現在可能正達到其準確度的極限,進一步改進可能會開辟新的應用領域。在這種形勢下,基于光頻躍遷而不是微波躍遷的新一代原子鐘應運而生。這些新型時鐘由于工作頻率高得多而提高了精確度。在其他條件相同的情況下,原子鐘的穩定度與其工作頻率成正比,與電子躍遷譜線的線寬成反比。但在實際應用中,穩定度還取決于原子吸收特征的信噪比。

在光學原子鐘里,超穩定激光器被鎖定于電磁波譜光頻區域的窄譜電子躍遷,即所謂的“鐘躍遷”上。目前正在研究的光鐘可分為兩類:一類是基于單個激光冷卻的囚禁離子;另一類是基于囚禁在光學晶格中的激光冷卻原子團。前者是射頻電磁阱中的單個激光冷卻離子,接近于無擾動環境中的一個靜止吸收粒子的光譜學理想情形。囚禁的單個離子被冷卻后,它可以被限制在一個尺度小于鐘激光波長的空間區域內,這意味著吸收特征的多普勒展寬被消除了。

通過控制離子的剩余運動,確保它嚴格地限制于囚禁阱中心,也可以大大抑制其他系統頻移。因此,這類時鐘具有非常高準確度的潛力。缺點是單個離子產生的吸收信號信噪比不高,這限制了時鐘能夠獲得的穩定度。

另一方面,中性原子可以被大量囚禁和冷卻,從而產生信噪比高得多的信號。例如,在其他條件相同的情況下,穩定度隨著原子數量的平方根而提高。研究人員現在可以將數千個激光冷卻的原子囚禁在光學晶格阱中——最常見的是由相交激光束形成的一維勢阱陣列。

圖2 新一代光鐘

人們可能認為,用來囚禁原子的光束會改變鐘躍遷的頻率。然而,這是可以避免的,只需將用于創建晶格的激光調諧到一個“魔術”波長,在那里鐘躍遷上下能級的頻移量完全相同——一個解決方案在2001 年由日本東京大學的香取秀俊(Hidetoshi Katori)首次提出。

目前,美國科羅拉多州博爾德國家標準與技術研究所安德魯·勒德洛(Andrew Ludlow)領導的研究小組保持著光鐘穩定度的記錄。他們的鐿光晶格鐘最近結果表明在數千秒的平均時間內穩定度達1×10-18。然而,囚禁離子光鐘也表現出遠優于銫原子鐘的穩定度,兩種類型光鐘的系統不確定度評估現在都達到了10-18級。這遠遠超過了銫頻率基準的準確度,并提出了一個明顯的問題:是時候再次重新定義秒了嗎?

3 計時技術的未來

當然,為避免定義上的任何不連續性,需要用銫鐘頻率來準確地測定所選光學標準的頻率。這個任務很容易用飛秒光學頻率梳來完成。這種具有均勻頻率間隔梳齒光譜的激光源,是連接光學頻率和微波頻率之間的橋梁。重新定義的一個障礙是,目前還不清楚到底哪種光鐘最好。研究中的系統都各有優缺點——一些可提供更高的穩定度,而另一些更能避免環境擾動的影響。

另一個挑戰是對不同實驗室獨立研制的光鐘進行直接比對,通過實驗驗證它們評估的系統不確定度。在這方面,歐洲的研究人員有一個優勢,因為已經可以使用光纖連接,將英國、法國和德國的光鐘以必要的準確度水平進行比對。遺憾的是,這些技術目前不能跨洲使用,必須找到連接美國和日本光鐘的替代方法。

遠程時鐘比對實驗還必須考慮到時鐘頻率的引力紅移。對于不確定度為1×10-18的光鐘,這意味著必須以相應約1 cm高差的準確度知道時鐘所在位置的重力勢,這是對目前技術水平的顯著提高。重力勢的潮汐變化也必須加以考慮。

盡管所有這些挑戰假以時日均可克服,秒的重新定義要得到國際共識還有一段路要走。在那之前,全球時間頻率計量學界已同意,光學原子鐘原則上可以作為秒的次級定義對國際時標作出貢獻。

事實上,光學原子鐘前所未有的精確度已經讓基礎物理學受益。例如,通過比較數年中不同時鐘的頻率,為精細結構常數(α≈1/137)和質子—電子質量比現在的時間變化設置了更嚴格的上限。

光鐘也可能開辟出全新的應用領域。通過比較可移動光鐘與固定參考時鐘的頻率,我們將能夠以高靈敏度、高時間和空間分辨率測量距離足夠遠位置之間的重力勢差。這種測量方法將導致對海拔高度更加一致的定義——目前不同國家用不同的潮汐儀進行測量,而且地球上海平面并不處處相同。它們還可以讓我們監測海平面的實時變化,追蹤冰蓋質量和整體海洋質量變化的季節性和長期趨勢——這些數據為用于研究和預測氣候變化影響的模型提供了關鍵輸入。也許具有諷刺意味的是,借助最新的“篡位者”——光鐘,我們將能夠更詳細地研究地球——秒的最初定義就來自它的自轉。